影响钢结构焊接技术进步的,几个重要因素


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摘要:根据钢结构焊接技术发展的客观规律和过程,结合当前钢结构焊接工程现状,从母材、焊材和设备三个方面——“钢结构大规模采用高强钢,促使我国焊接技术迅速发展”“高品质、高性能的焊材是保证焊接技术进步最大支持”“新型焊机是焊接技术进步的又一重大支持”,分析论证耐候、耐蚀、耐热钢,焊接低强配比,焊材的科研及生产以及快速脉冲压缩电弧等影响焊接技术进步的因素,特别是机器人自动焊技术以及相关工程案例,力图揭示焊接技术的发展方向。

关键词:高强钢;机器人自动焊技术;焊接材料;快速脉冲压缩电弧

中图分类号:TG457.11          文献标志码:B           文章编号:1001-2003(2020)09-0207-06

DOI:10.7512/j.issn.1001-2303.2020.09.22

0    前言

我国建筑钢结构设计具有创新意识,张显个性,钢结构实现了其他结构难以实现的奇特建筑,给人们带来极大的视觉冲击并具有实用性。在设计和施工的共同努力下,一大批设计新颖、用料考究的钢结构工程应运而生,使我国建筑钢结构产业出现了欣欣向荣、蓬勃发展的大好局面。钢结构关键焊接技术的发展,促使我国的建筑钢结构大踏步进入了成熟期,迅速成为名符其实的钢结构大国[1]。

文中从母材、焊材和设备三个方面分析了影响钢结构焊接技术进步的重要因素,指出了焊接技术的发展方向。

1 高强钢在钢结构中的大规模应用对焊接技术进步的影响

1.1 高强钢的应用背景

近年来,我国多个重要钢结构工程项目采用了高强钢,例如:2005年国家体育场(鸟巢)使用國产Q460E-Z35钢(板厚110 mm),国家游泳中心(水立方)工程使用国产Q420钢,中央电视台新台址工程更是使用了Q390D、Q420D-Z25、Q460E-Z35级别的钢材,深圳平安高层用钢材强度等级已经达到550 MPa。高强钢在建筑钢结构中的广泛应用带动了高强钢焊接技术的发展。

曾有专家断言,顺应我国建筑钢结构技术的发展轨迹,我国钢材必定向更加高级的方向发展,节能减排的绿色制造理念将推动焊接钢结构的变革。因此,新钢种会层出不穷,各类高强度建筑结构钢、船板钢、压力容器钢、管线钢、桥梁钢、耐热钢和低温钢等都会沿着Q460E-Z35钢的研制道路进一步升华,将通过钢水精炼和控轧控冷(TMCP)等先进工艺,向“低碳、微合金化、纯洁化、细晶粒化”方向发展,不断提高钢材的强度和韧性,将是我国钢铁工业发展的基本技术路线[2]。

1.2 高强钢在钢结构中的应用现状及存在的问题

目前,我国现代建筑钢结构焊接工程已大规模采用Q355、Q390、Q420、Q460系列高强钢,有的占工程总体用钢的40%以上,钢结构工程正在向大型化和高参数方向发展;钢板的强度越来越高,厚度越来越大,结构越来越复杂,新钢种越来越多,技术条件要求越来越严格。

我国于2019年不再生产Q345钢,由Q355取代。由此,我国钢结构全面进入高强钢时代,这也是我国钢材与国际接轨的重大举措。根据GB/1591-2018《低合金高强度结构钢》标准,建筑

钢结构将大面积采用Q355,其性能与Q345区别很大,特别是Q355M钢为TMCP钢(thermo-mechanical processed,也称控制轧制),具有一定的特殊性。Q355M除具有低碳、微合金性能外,S、P含量很低,晶粒度小,其碳当量和其他牌号的高强钢几乎相同,焊接性相似。因此,Q355M具有低碳、微合金、纯净化、细晶粒的特点,除实际强度稍低外,其他均符合高强钢的基本特性。

碳及合金元素的变化往往会给钢的焊接性带来不利影响,不同钢种所出现的焊接性问题不一。在合金结构钢中,随着碳及合金元素含量变化会引起接头的脆化、软化及裂纹倾向增大,从而降低焊接结构的可靠性,造成焊接结构的早期破坏[3]。目前掌握高强钢焊接技术的单位和个人较少,高强钢焊接技术的推广工作困难很大。典型例子如“多层多道错位焊接技术”推行阻力很大,人们对“减少和取消碳弧气刨”的观点和强调高强钢焊接一次合格率100%均不理解。很多单位仍然采用过去的落后技术进行高强钢的焊接,潜在的技术、施工和工程隐患较大。

1.3 高强钢焊接技术

1.3.1 大规模地采用机器人自动焊接技术

高强钢为细(超)细晶粒钢,焊接时会出现严重的晶粒长大倾向。如果线能量控制不当,不仅会造成HAZ的脆化,还会导致其软化。不同的焊接工艺会产生不同的晶粒度,如图1所示。

高强钢焊接技术的关键就是排除一切干扰,精准地控制线能量,一次性成功。为此,焊接机器人技术成为首选。一般来说,机器人采用MIG/MAG(GMAW)工艺,理论上是无氢焊接,而且极易实现整条焊缝线能量的均匀控制,有效地控制晶粒度长大的倾向。

目前,焊接机器人应用行业普遍针对程序编程、指令下传、动作执行三个方面进行研究。我国焊接机器人的技术主要分为三大类:

第一类是“离线编程”的智能焊接技术。该技术的基本原理是:待焊构件的模型→提取焊接作业的行走轨迹→机器人持焊枪按照轨迹执行焊接作业。该技术可以实现规模生产,但设计、加工、装配以及检测等诸多环节都要进行相应的调节和改变,需要在示范工程进行充分验证了方可纳入相关标准规定中加以推广应用,很难在短期内取得满意效果。目前钢结构行业智能制造基本上都选择该技术,适用于同规格、大批量、小型标准构件的制造加工,并不适用于复杂、大型钢构件制造。其原因为:一是钢结构规格种类繁多,前期需要工艺人员进行大量编程工作,效率不高;二是构件组装和焊接中会产生变形,而焊枪却按照标准模型上提取的轨迹运行,二者的偏差需要人工不断纠偏,降低作业效率。采用“离线编程”技术的焊接机器人在钢结构制造中主要用于焊接尺寸较小且规格较为单一的牛腿。

第二类是“示教再现”的智能焊接技术。该技术的基本原理是:在正式焊接前,让机器人在人工干预的前提下沿构件待焊部位运行一遍,机器人控制系统记录运行轨迹,回到起点后沿轨迹实施焊接作业。该技术省去了编程环节,降低了对操作人员的技能要求,无需改变现有钢结构生产模式,通过提高焊接机器人的智能水平和适应能力,达到机器替代人工、提高生产效率的目的。其优点是不涉及制造体系的改变,只需对焊接生产的环节进行少量改造即可实现,投资少、见效快,是实现钢结构制造产业升级换代的一条新路。但是寻找轨迹的“示教”过程耗时太长,降低了设备利用率,因此该技术目前用于各类机器人比赛,不能完全满足钢结构实际生产的要求。

第三类是“视觉感知”的智能焊接技术,也是当前最热门的研究方向。该技术的基本原理是利用激光扫描识别构件特征和待焊部位,视觉系统捕捉的信息分别传达至控制系统和焊接工艺数据库,控制系统根据接收到的信息(基于龙门式焊接机器人三维模型定位与识别)规划焊接路径并实时纠偏,焊接工艺数据库根据接收到的信息调用最匹配的焊接工艺数据供机器人执行。该技术是当前智能化程度最高,且被业内公认为最有希望解决非标构件焊接作业的智能技术,但限于钢结构尺寸大、规格多且作业环境复杂,该技术尚未取得实质性突破。

目前,最先进的是自适应非标钢构件机器人智能焊接技术。该技术的研究方向是在工厂生产环境的龙门行走装置的具体应用,内容如下:

(1)通过对钢构件三维模型及焊缝建模的研究,减少了以往手工示教或离线编程的工作量,降低了编程难度,形成了批量一键式构件模型的转换,节省了大量人工,提高了工作效率。

(2)通过对构件位置、焊缝位置识别技术的研究,简化了以往通过示教将固定程序中点位与实际产品位置纠偏定位,通过编辑好的程序进行多点电弧多点定位的操作,提高了焊縫位置识别的准确度,提高了生产效率。

(3)通过对智能焊接机器人扫描路径规划和焊接路径规划的结果计算出焊接程序,克服了以往采用人工示教或离线编程生成指令效率低下的问题,实现了快速自动工艺数据包的生成。

中建钢构、中冶建研总院、安徽巢湖工布智造等单位经多年研究和工程应用,解决了上述几大瓶颈问题,实现了非标钢构件的机器人自适应智能焊接成套技术的重大突破,填补了国内空白,贴角焊缝智能焊接水平世界领先,为我国机器人自动焊技术的大规模应用指明了方向,提供了坚实的技术支持。

1.3.2 高强、耐候、耐蚀钢的焊接会成为第二个关键技术

高强、耐候、耐热钢是几乎与高强钢同时出现的另一新钢种,目前已经得到一定规模的应用。最典型的是我国第一次在西藏拉林铁路雅鲁藏布江特大桥采用了Q345qENH、Q420qENH牌号的钢材,如图2所示。

采用该钢材的优点很多,主要是省掉了污染严重的涂装工艺,工程可以不作防腐,加快了施工进度,保证了工程的可靠性和提高了工程寿命。但对于焊缝是否和母材一样耐候的问题目前尚未完全解决。

西藏拉林铁路雅鲁藏布江特大桥采用了河北鑫宇提供的焊材:焊条E5015-G(J507NiCrCu)(φ4 mm),实心焊丝ER50-G(TH500-NQ-Ⅱ) (φ1.2 mm),药芯焊丝E551T1-GC⑴,埋弧焊实心焊丝ER55-G(TH550-NQ-Ⅱ) (φ1.2 mm);焊剂F55A4-SJ105q(EG-G)。无论从工艺评定、工程质量还是桥梁的运营情况来看,母材同焊材的配比是科学合理的。其中,通过化学成分来评价焊缝熔敷金属的耐大气腐蚀性(耐大气腐蚀指数I),具体计算为:I=26.01(%Cu)+3.88(%Ni)+1.20(%Cr)+1.49(%Si)+17.28(%P)-7.29(%Cu)(%Ni)-9.10(%Ni)(%P)-33.39(%Cu)2,计算可得I≥6.5。

焊缝是否与母材性能相同或相似(尤其是微观性能),需在实践中进行检验。但耐蚀性能实践检验时间过长,较难实现。这更加说明了该项技术是需要长时间的积累,其艰巨性不言而喻。

最近,我国科研工作者研究成功SQ460FRW、SQ690FRW抗震耐蚀耐火钢,将钢材的高强耐候、耐蚀、耐高温(耐火)性能集于一体。考虑到

焊缝熔敷金属的性能和母材性能的技术要求相同,同步研究出了配套的新型焊接材料。由于母材与焊材熔敷金属性能相近,焊接试验十分顺利,焊缝的化学、力学性能优良,焊缝成形良好。

分析认为,若生产耐候耐蚀钢的钢铁厂可同步生产相应的焊材,以满足工程实践需要,其前景会非常光明。

2 高品质、高性能的焊材是焊接技术进步最大支持

钢铁冶金技术的发展使低合金高强钢实现了洁净化、细晶化和力学性能上的强韧化,这就要求与之匹配的焊接材料也必须实现洁净化、细晶化和强韧化[4]。

但由于焊缝金属不能采用控轧控冷措施实现“细晶化”和“超细晶粒”,也不能出现钢材轧制时的形变强化,难以在相近化学成分下实现焊缝与母材的强韧性匹配。因此,目前常用的焊接工艺与焊接材料将不适用于低碳微合金化控轧钢,更不适用新一代钢铁材料。在相当长的一段时间,我国出现有钢材无焊材的局面,严重影响了焊接技术的进步。这就需要对常用焊接材料及工艺进行重大变革。

由于焊接冶金的不平衡性,要想使焊缝金属的洁净度达到洁净钢的水平相当困难,但可在以下几方面进行研究:

(1)同步生产焊接原辅材料以保证焊缝熔敷金属性能与母材相近。

钢铁厂在生产新钢种的同时研究出配套的原辅材料,除低碳、微合金、细晶粒性能外,还应严格控制原辅材料中的杂质含量。焊接原辅材料中的主体是盘条或钢带,可通过冶炼技术实现洁净化。

目前宝武钢铁集团生产的盘条钢其洁净度达到:w(S)≤0.005%,w(P)≤0.01%,钢中的脆性夹杂物<1级,达到了国际先进水平,可用于洁净钢的焊接。

(2)焊接冶金反應中的洁净化。

焊接过程中化学冶金反应激烈,利用焊接冶金反应进行脱氧、脱硫、脱磷、脱氮、除氢是目前焊接材料中普遍采用的洁净化技术。因此,在焊接材料的研究中,应优化配方及工艺参数,尽可能使净化反应进行得比较完善。

(3)有针对性地开发新型焊接材料。

随着我国工业化步伐的加快和新钢种的不断开发应用,对焊接材料的要求越来越高,应该在不断提高现有焊材品质的同时,开发更多新型焊材品种,以满足现代化建设的需求。

①开发高钢级管线钢(如X70、X80、X100、X120等)用新型焊接材料,包括气保焊和埋弧焊用实心焊丝。

②适于大型储油罐用的高强度(屈服强度≥490 MPa)厚板(20~45 mm)大线能量用焊条、实心焊丝和药芯焊丝。

③新一代微合金化耐热钢用焊接材料。

④超细晶粒钢配套的新型焊接材料。

⑤超低碳贝氏高强钢(600~1 500 MPa)用焊接材料。超低碳贝氏高强钢具有高强、高韧、焊接裂纹敏感性小等优点,在一定工艺下,焊前可不预热。

由上述可知,钢铁工业的发展给焊接技术和焊接材料带来了新的机遇和挑战,焊接方法和焊接材料都将发生重大变革。尤其是2020年后,各大型企业应“顺势而为”,集中人力、物力和技术力量,加大科研开发力度,为新型焊接技术和焊接材料的技术进步提供支持。

(4)重视高强钢焊接强度配比的研究。

对于焊缝金属强度选择问题,传统观念及有关规定大多主张“等强配比”或“超强配比”,认为焊缝强度高一些更为安全。

但是,近年来美国、日本等国家工程技术人员从防止冷裂纹的角度考虑,对“低强配比”焊接接头组织性能进行了研究。结果表明,选用“低强配比(0.86)”焊材可显著减少焊接裂纹,但这主要针对承受压应力的焊缝,对于承受拉应力的焊缝,这方面的研究结果尚有较大分歧。

而在高强钢焊接研究中发现,对于抗拉强度Rm≥800 MPa高强钢,除考虑强度外,还必须考虑焊接区韧性及裂纹的敏感性,为此,往往采用“低强配比”。

“低强配比”焊材并不意味着焊接接头强度一定低于母材。这是因为理论上的强度配比不等于焊接接头实际的强度配比,在工程中通常是按产品样本规定的熔敷金属名义保证值(或焊材标称强度)选择焊材,但是焊缝强度不同于熔敷金属强度,事实上焊缝金属的实际强度往往超出熔敷金属的保证值。按名义强度选择的低强焊接材料,实际得到的焊缝强度未必低强。

考虑冶金因素、熔合比(稀释率)和力学上的拘束强化效果,高强钢焊缝的实际强度可能远远高出熔敷金属的名义保证值。因此,选用“低强配比”的焊材,焊接接头实际强度未必低强,可能等强甚至稍许超强;而按“等强配比”选择焊材则可能导致超强过多,从而造成焊缝金属强韧性和抗裂性下降。

3 新型焊机是焊接技术进步的又一重大支持

有专家指出,GMAW效率是SMAW的3倍,若要再提高GMAW的效率,只能在新型电弧上做文章,否则事倍功半。

四川玛瑞的新型脉冲电弧MIG焊机高速射流过渡无飞溅、焊缝成形美观、焊接效率提高12.5%、HAZ熔深大、可全位置焊接。在电源上采用了全桥软开关结构与数字控制相结合的方式,达到快速控制熔滴过渡过程的目的;由于脉冲频率很高,对射流电弧和熔滴进行有效的压缩,从而形成电流密度极高的压缩电弧(高速脉冲压缩电弧),进而提高了焊接HAZ熔深和效率,如图3所示。该脉冲焊接方式减少了母材的热输入,可获得熔宽均匀、美观的纹状焊缝,还增加了熔池的搅拌作用,排除金属内形成的气泡等缺陷因素,同时细化了焊缝晶粒,降低了裂纹敏感性,提高了焊缝的整体质量[5]。

根据对比试验结果,得出以下结论:①快速脉冲压缩电弧焊接工艺焊接HAZ最大熔深为4.5 mm,GMAW焊接HAZ最大熔深为3.5 mm;②快速脉冲压缩电弧焊接工艺焊接HAZ熔深平均水平大于GMAW焊接HAZ。

这是焊接应用技术的一项突破,彻底释放了人们对φ(CO2)20%+φ(Ar)80%富氩气体保护焊的疑虑,提高了焊接接头的综合性能,为高强钢焊接提供了技术支持。

4 结论

(1)钢结构大规模采用高强钢,促进我国焊接技术迅速发展。

(2)高品质、高性能的焊材是保证焊接技术进步的最大支持。

(3)新型焊机是焊接技术进步的又一重大支持。

参考文献:

[1] 戴为志. 建筑钢结构行业发展对焊机及焊材的需求趋势[J]. 金属加工(热加工), 2013(18): 17-20.

[2] 戴为志. 建筑钢结构焊接技术发展趋势[J]. 电焊机, 2011, 41(8): 1-3.

[3] 高良, 周云芳, 戴为志. 建筑高结构高强钢不适合大线能量焊接[J]. 电焊机, 2016, 46(2): 1-6.

[4] 李午申. 我国新型钢铁材料及焊接性与焊接材料的发展[J]. 机械工人, 2005(8):  20-25.

[5] 戴为志, 李华, 何乔生, 等. 高强钢焊接前沿技术的开发研究[J]. 电焊机, 2014, 44(5): 42-50.

Several important factors affecting welding technology progress of steel structure

DAI Weizhi

(China Engineering Construction Welding Association, Beijing 100088, China)

Abstract: According to the objective law and process of the development of steel structure welding technology, combined with the current situation of steel structure welding engineering, from three aspects of base metal, welding material and equipment - "large scale use of high-strength steel in steel structure promotes the rapid development of China"s welding technology", "high-quality and high-performance welding material is the greatest support to ensure the progress of welding technology", and “the new welding machine is the progress of welding technology”. This paper analyzes and demonstrates the factors influencing the progress of welding technology, such as weather resistance and corrosion resistance, heat-resistant steel, low strength ratio of welding, scientific research and production of welding materials and rapid pulse compression arc, especially the robot automatic welding technology and related engineering cases, trying to reveal the development direction of welding technology.

Key words: high strength steel; robot automatic welding technology; welding materials; fast pulse compression arc